Вычислительное моделирование нейронов сетчатки для исследования зрительных протезов - Фундаментальные подходы

Резюме

Мы суммируем рабочий процесс для вычислительного моделирования поведения нейрона сетчатки в ответ на электрическую стимуляцию. Вычислительная модель универсальна и включает в себя этапы автоматизации, которые полезны для моделирования ряда физиологических сценариев и прогнозирования результатов будущих исследований in vivo / in vitro .

Аннотация

Вычислительное моделирование становится все более важным методом в нейронной инженерии из-за его способности предсказывать поведение систем in vivo и in vitro . Это имеет ключевое преимущество минимизации количества животных, необходимых в данном исследовании, предоставляя часто очень точное прогнозирование физиологических результатов. В области визуального протезирования вычислительное моделирование имеет множество практических применений, включая информирование о конструкции имплантируемой электродной решетки и прогнозирование визуальных восприятий, которые могут быть вызваны доставкой электрических импульсов от указанного массива. Некоторые модели, описанные в литературе, сочетают трехмерную (3D) морфологию для вычисления электрического поля и кабельную модель интересующего нейрона или нейронной сети. Чтобы повысить доступность этого двухэтапного метода для исследователей, которые могут иметь ограниченный предыдущий опыт в вычислительном моделировании, мы предоставляем видео фундаментальных подходов, которые должны быть приняты для построения вычислительной модели и использования ее для прогнозирования физиологических и психофизических результатов протоколов стимуляции, развернутых через зрительный протез. Руководство включает в себя шаги по построению 3D-модели в программном обеспечении для конечно-элементного моделирования (FEM), построение модели ганглиозных клеток сетчатки в многокамерном вычислительном программном обеспечении нейронов с последующим объединением двух. Программное обеспечение для моделирования конечных элементов для численного решения физических уравнений будет использоваться для решения распределения электрического поля при электрической стимуляции ткани. Затем было использовано специализированное программное обеспечение для моделирования электрической активности нейронной клетки или сети. Чтобы следовать этому руководству, потребуется знакомство с принципом работы нейропротеза, а также нейрофизиологическими концепциями (например, механизмом потенциала действия и пониманием модели Ходжкина-Хаксли).

Введение

Визуальные нейропротезы представляют собой группу устройств, которые доставляют стимуляцию (электрическую, световую и т. Д.) Нервным клеткам в зрительном пути для создания фосфенов или ощущения видения света. Это стратегия лечения, которая используется в клинике в течение почти десятилетия для людей с постоянной слепотой, вызванной дегенеративными заболеваниями сетчатки. Как правило, полная система будет включать в себя внешнюю камеру, которая захватывает визуальную информацию вокруг пользователя, блок питания и вычислительный блок для обработки и преобразования изображения в серию электрических импульсов и имплантированную электродную решетку, которая взаимодействует....

протокол

1. Настройка конечно-элементной модели для расчета электрического потенциала

1. Определение этапов моделирования и сложности модели
   ПРИМЕЧАНИЕ: Целью первого шага является уточнение цели моделирования, которое определит необходимые элементы модели и процедуру имитационного моделирования. Важным моментом, который следует учитывать, является поведение нервных клеток, которое должно быть показано моделью, и какой протокол тестирования потребуется для демонстрации этого поведения. Это исследование показывает зависимость расстояние-порог для нейрона, который стимулируется внеклеточным образом, а также кривую размера электрода-порога. Для этого не....

Результаты

Мы провели два протокола моделирования, чтобы продемонстрировать использование модели. Первый протокол включал изменение размера электрода при сохранении местоположения нейрона и параметров электрического импульса одинаковыми. Второй протокол включал смещение нейрона в x-направле?.......

Обсуждение

В этой статье мы продемонстрировали рабочий процесс моделирования, который сочетает в себе моделирование конечных элементов и биофизических нейронов. Модель очень гибкая, так как ее можно модифицировать по своей сложности в соответствии с различными целями, и она обеспечивает способ .......

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Computer workstation	N/A	N/A	Windows 64-bit operating system, at least 4GB of RAM, at least 3 GB of disk space
Anaconda Python	Anaconda Inc.	Version 3.9	The open source Individual Edition containing Python 3.9 and preinstalled packages to perform data manipulation, as well as Spyder Integrated Development Environment. It could be used to control the simulation, as well as to display and analyse the simulation data.
COMSOL Multiphysics	COMSOL	Version 5.6	The simulation suite to perform finite element modelling. The licence for the AC/DC module should be purchased. The Application Builder capability should be included in the licence to follow the automation tutorial.
NEURON	NEURON	Version 8.0	A freely-distributed software to perform the computation of neuronal cells and/or neural networks.